книги из ГПНТБ / Кашкаев, И. С. Производство глиняного кирпича учеб. пособие

кварцем, известняком, гипсом, соединениями магния и железа, ор­ ганическими веществами, которые и являются примесями глины.

Кпервичным, или элювиальным, глинам, редко встречающимся

ввиде залежей, относятся такие породы, как каолины, которые применяют в качестве составной части при изготовлении фарфоро­ вых и фаянсовых изделий. К вторичным, или осадочным, глинам относятся все остальные глины, весьма разнообразные по внешне­ му виду, составу, свойствам даже в пределах одного месторожде­ ния.

Различают три основных вида вторичных глин.

Де л ю в и а л ь н ы е г л ины — это глины, перенесенные дожде­ выми и снеговыми водами. Месторождения этих глин расположе­ ны, как правило, недалеко от мест их происхождения: в нижних частях склонов оврагов, в бывших озерах, болотах, морях. Для мес­ торождений характерны слоистые напластования, неоднородный состав и засоренность мелкими примесями.

Ле д н и к о в ы е г л и н ы — это глины, перенесенные ледниками, которые в далеком прошлом покрывали значительную часть зем­ ной поверхности. Характер залегания глин — линзообразный. Они сильно засорены каменистыми включениями всевозможных разме­ ров — от крупных валунов до мелкой щебенки.

Лёссовидные глины — это глины, перенесенные ветрами. Мес­ торождения таких глин расположены преимущественно на окраи­ нах бывших пустынь, там, где скорость ветров изменяется. Такие глины характеризуются отсутствием слоистости, однородностью со­ става. Глины имеют пористое строение и высокую пылеватость.

§ 6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛЕГКОПЛАВКИХ ГЛИН

Глина состоит из химических соединений алюминия, кремния, железа, титана, кальция, магния, натрия, калия в виде окислов, солей и др. В глинах содержится также некоторое количество ор­ ганических веществ и воды.

Содержание важнейших окислов, входящих в состав легкоплав­ ких глин, находится в следующих пределах (в %):

кремнезема Si02 — 60—80; глинозема А120 3 вместе с двуокисью титана ТЮ2—5—20; окиси железа Fe20 3 вместе с закисью желе­ за FeO — 3—10; окиси кальция СаО — 0—25; окиси магния MgO —

всвязанном и свободном состояниях: связанный кремнезем входит

всостав глинообразующих минералов, свободный представлен в Еиде кварцевого песка и тонких пылевидных частиц (шлюфа).

Кварцевый песок в значительном количестве засоряет глину и снижает ее пластичность. С увеличением количества песка умень­ шаются усадка изделий и их механическая прочность. Кроме того, изделия при большом содержании кремнезема могут в процессе

20

ваемого сырца; органические вещества способствуют образованию

трещин.

Л е т у ч и е в е щ е с т в а в глинистом сырье, употребляемом для производства кирпича, содержатся в значительном количестве (4— 13%'). Химический анализ показывает их в виде потерь при прока­ ливании (п. п. п.).

При прокаливании сырье теряет механически связанную воду, кристаллизационную воду, содержащуюся в гипсе, водные кристал­ логидраты железа, водные алюмосиликаты, затем оно теряет серу при наличии в глине Fe2S2, углекислоту, содержащуюся в карбона­ тах, происходит сгорание всех органических веществ.

Чем больше потери при прокаливании во время обжига кир­ пича, тем более пористый получается кирпич, меньше его объем­ ная масса и, как следствие, ниже механическая прочность.

Химический состав глин является их основной характеристикой и в значительной мере определяет их промышленное значение.

§ 7. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГЛИН

Химические соединения, однородные по строению, составу и свойствам, образуют минералы. Глины состоят из основных глино­ образующих минералов и минералов-примесей.

К основным глинообразующим минералам относятся каолинит, монтмориллонит, гидрослюда, монотермит и некоторые другие.

Глинообразующие минералы в основном представляют собой водные силикаты глинозема, содержащие окислы кремния и желе­ за, а также сульфаты, карбонаты и растворимые в воде соли раз­ личных металлов. Глинообразующие минералы характеризуются размерами частиц менее 5 мкм (<0,005 мм).

В состав глин может входить только один минерал, что харак­ терно в основном для огнеупорных глин. Такие глины называются мономинералъными. Если в состав глин входит несколько минера­ лов, их называют полиминеральными. К таким глинам относятся легкоплавкие глины.

Глины, сложенные из минерала каолинита, слабо набухают в воде и почти не реагируют на кислоту. Если в глине находится только каолинит, ее называют каолином. Содержание минералов каолинитовой группы характерно для огнеупорных и тугоплавких глин. Известны огнеупорные глины, сложенные в основном из ми­ нерала монотермита.

Глины, сложенные из монтмориллонита, сильно набухают в во­ де и 'весьма пластичны. Если в глинах содержатся только одни монтмориллонитовые минералы, глины называют бентонитом. Гли­ ны, сложенные из гидрослюды, характеризуются средней пластич­ ностью.

Легкоплавкие глины обычно сложены из нескольких минералов, преимущественно монтмориллонитовой и гидрослюдистой группы,

22

и редко с незначительной примесью минералов каолинитовой

группы.

" В легкоплавких глинах из минералов-примесей наиболее часто встречаются кварц, известняк СаС03 и доломит CaC03-MgC03.

Кварц находится в глинах в виде окатанных зерен или частиц неправильной формы. Кварц отощает глину, а повышенное содер­ жание его уменьшает прочность изделий.

Известняк и доломит, находящиеся в глинах в виде крупных включений,— это вредные примеси и после обжига изделий вызы­ вают разрушение.

Если эти минералы-примеси содержатся в глине в тонкодиспер­ сном состоянии и равномерно распределены, они не вызывают раз­ рушения изделий и лишь уменьшают пластичность и огнеупорность глины.

§ 8. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ (ЗЕРНОВОЙ) СОСТАВ ГЛИН

Гранулометрическим составом глины называется процентное содержание зерен (частиц) различной величины в глинистой по­ роде.

Ниже показан зерновой состав легкоплавких глин по фракциям (группам частиц одного размера).

Наиболее ценные для производства керамических материалов — тонкие глинистые фракции с зернами размером менее 5 мкм

(<0,005 мм).

Кроме тончайших частиц, в глинах содержатся пылевидные фракции с зернами размером от 5 до 50 мкм (0,005 до 0,05 мм) и песчаные — от 50 мкм до 1 мм и более. Фракции размером более 2 мм считаются включениями.

Сырье по зерновому составу разделяется на: в ы с о к о д и с п е р ­ сное, если оно содержит фракции размером менее 0,01 мм более 85% и фракций менее 0,001 больше 60%', д и с п е р с н о е , если оно содержит фракций менее 0,01 мм от 40 до 85%' и фракций менее 0,001 от 20 до 60%, г р у б о д и с п е р с н о е, если соответственно тех же фракций менее 40%' и менее 20%. Чем более дисперсное глиня­ ное сырье, тем оно пластичнее.

В зависимости от размера преобладающих включений различа­ ют сырье с мелкими включениями — менее 2 мм, средними — от 2 до 5 мм и крупными — более 5 мм.

По виду преобладающих включений различают глинистое сы­ рье с кварцевыми, карбонатными, железистыми, гипсовыми и дру­ гими включениями.

23

§ 9. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВО ЙСТВА ГЛИН

Наиболее характерными свойствами глин являются пластич­ ность, связующая способность, способность давать усадку — воз­ душную при сушке, огневую при обжиге, спекаемость, огнеупор­ ность.

П л а с т и ч н о с т ь заключается в способности глины образовы­ вать при затворении водой тесто, которое под воздействием внеш­ них нагрузок может принимать форму, сохраняющуюся после уст­

фарфоровую чашку 4 с разрезанной на две части массой. Стер­ жень прибора вместе с чашкой поднимают на высоту 75 мм и кре­ пят винтом 5 к станине. Затем винт опускают и стержень свободно падает на опорную плиту. В результате удара масса, которая нахо­ дится в чашке, встряхивается и зазор между двумя половинками сокращается.

Эту операцию повторяют три раза. Если разрезанные половинки соединяются после первого или второго падения стержня, в массу добавляют 1 г сухой глины и испытание повторяют. Если после третьего удара стержня масса не соединяется, к ней добавляют 1 см3 воды. Таким образом подбирают влажность массы, необхо-. димую для соединения двух частей массы после третьего удара стержня. От полученной массы отбирают 25 г и высушивают до воздушно-сухого состояния. Высушенный образец взвешивают.

24

Разница между первоначальной массой образца (25 г) и его массой после высушивания, деленная на первоначальную массу, характеризует нижнюю границу текучести Wu выраженную в про­ центах.

Предел раскатывания определяют на оставшейся в фарфоровой чашке глине после отбора 25 г. Оставшуюся часть глины переносят на стекло и раскатывают в жгуты диаметром 3 мм. Если масса не раскатывается, к ней добавляют небольшое количество сухой гли­ ны. Так продолжают до тех пор, пока жгуты не станут распадаться во время раскатывания. Затем массу взвешивают и после высуши­ вания до воздушно-сухого состояния определяют процентное содер­ жание влаги, которое соответствует верхней границе раскатыва­ ния W2.

Число пластичности П вычисляют по формуле

катывания, %■ Например, если абсолютная влажность глины при нижнем пре­

Чем пластичнее глина, тем больше воды необходимо в нее до­ бавить для получения нормального рабочего теста. Влажность ра­ бочего теста из высокопластичных глин составляет 25—30%' и бо­ лее, из среднепластичных — 20—25% и малопластичных (тощих) — 15—20%'.

Встречаются глины, различные по пластичности, но требующие почти одинакового количества нормальной формовочной влаги. Это объясняется характером связи влаги с глиной, зависящей от сте­ пени дисперсности глины при данном минералогическом составе. Чем больше в глине связанной (адсорбированной) влаги, тем боль­ ше требуется нормальной формовочной влаги при одном и том же числе пластичности. Высокопластичные и среднепластичные глины часто отличаются повышенной чувствительностью к сушке.

Всякое пластичное тесто представляет собой неоднородную (ге­ терогенную) систему, состоящую из твердой дисперсной фазы — собственно глины, жидкой фазы — влаги и газообразной фазы — воздуха. Поэтому пластичность глины зависит от свойств как твер­ дой, так и жидкой фаз. На пластичность глины влияют ее химиче-

25

ский состав, степень дисперсности, связанная с последней удельная поверхность, а также форма частиц.

Необходимым условием получения пластичного теста является смачивание частиц твердой фазы водой.

Для увеличения пластичности глин могут быть использованы следующие способы: длительное вылеживание и промораживание, отмучивание, механическая обработка с многократным истиранием на глинообрабатывающих машинах, вылеживание (относительно кратковременное) предварительно обработанной глины, паропрогрев, вакуумирование, добавка более пластичных глин и разных пластифицирующих материалов, например сульфитно-спиртовой

барды.

Для уменьшения пластичности и повышения влагопроводности при сушке обычно в глину добавляют различные непластичные материалы — органические или минеральные, например кварцевый песок, шамот, шлак, опилки.

С в я з у ю щ а я с п о с о б н о с т ь г л и н определяет возмож­ ность сохранять пластичность при смешивании с непластичными материалами. Связующая способность глины выражается в том, что она может связывать частицы непластичных материалов (пес­ ка, шамота и пр.) и образовывать при высыхании достаточно проч­ ное изделие.

Критерием связующей способности служит число пластичности массы. При этом связующая способность измеряется количеством нормального1 песка (ГОСТ 6139—70), при добавлении которого образуется масса с числом пластичности 7. Более пластичные гли­ ны обладают большей связующей способностью.

Глины разделяют на четыре группы в зависимости от их спо­ собности связывать то или иное количество в процентном отношении нормального песка, принимаемого за эталон:

В о з д у ш н о й у с а д к о й глинистого сырья называют изме­ нение линейных размеров и объема отформованных из этого сырья образцов под влиянием сушки.

Воздушную усадку определяют в процентах по изменениям ли­ нейных размеров изделий и находят по следующей формуле:

( d i - d z ) - 100

1 Нормальным песком считается кварцевый песок с крупностью зерен от 0,5 до 0,9 мм, добытый из карьеров, расположенных близ станции Приводьск При­ волжской железной дороги.

26

где d\ — расстояние между метками, см, которые наносят по диаго­ нали изделия до его сушки; d%— расстояние между метками после

сушки изделий, см.

При температуре 100—110° С глина отдает всю примешанную к ней механически связанную (гигроскопическую) воду и изделие из глииы делается сухим и твердым. Если такую глину снова замочить водой, она будет обладать пластичностью в той же степени, что и

до потери влаги.

В процессе сушки глина и изделия из нее могут растрескивать­ ся. Чем она чувствительнее к сушке, тем сильнее происходит рас­

трескивание.

Чувствительность глины к сушке характеризуется коэффициен­ том чувствительности Кч, определяемым по формуле 3. А. Носовой

где АЕВС— усадка единицы объема образца, высушенного до воз­ душно-сухого состояния; Уп— объем пор, отнесенный к единице объема образца, высушенного до воздушно-сухого состояния.

По степени чувствительности к сушке глины разделяют на сле­ дующие классы:

Установлено, что глины с /Сч = 0,5 и менее также относятся к вы­ сокочувствительным, так как они отличаются очень низкой трещиностойкостыо.

О г н е в о й у с а д к о й называют изменение линейных размеров высушенных изделий после их обжига. Огневую усадку определяют по формуле

dz — расстояние между метками после обжига изделия, см.

Четкой зависимости между чувствительностью глин к обжигу и величиной их огневой усадки не отмечается.

При повышении пористости глиняного сырца уменьшается его чувствительность к обжигу, что объясняется локальной разрядкой возникающих напряжений за счет свободного объема пор. Ввод отощителей в состав шихты является поэтому эффективным сред­ ством для устранения трещиноватости в процессе обжига, так как отощители снижают напряжения, возникающие при сушке, повыша­ ют пористость. Благодаря этому ускоряется подъем температуры при обжиге без появления внешних дефектов.

Большое влияние на чувствительность глин к обжигу оказывают минералогический состав и количество глинистой фракции. Чем

27

больше в глинистой фракции минералов монтмориллонитовой группы и чем выше содержание глинистой фракции глины, тем большей чувствительностью к обжигу они обладают.

В-интервале температур от 800 до 900°С начинается процесс спекания, выражающийся в уплотнении черепка при частичном плавлении легкоплавких смесей и обусловливающий огневую усадку.

Определение воздушной и огневой усадок необходимо для оцен­ ки поведения отформованных изделий в процессе сушки и обжига, разработки технологических режимов, установления размеров фор­ муемых изделий и проверки свойств массы, из которой изготовляют изделия. Для этого определяют полную усадку, представляющую собой величину изменения линейных размеров и объема образца в результате сушки и обжига.

Полную усадку вычисляют по формуле

LB L{-■100.

и "

Полная усадка может достигать 8—12% при использовании пластичных глин и 2—5% при низкопластичных или сильно отощенных добавками пластичных глинах.

С п е к а е м о с т ь ю называется способность глин превращаться под действием высоких температур в камнеподобный черепок, об­ ладающий водопоглощением не выше 5%.

Температура, при которой черепок перестает быть пористым (водопоглощение не выше 5%), сохраняя в то же время приданную ему форму (без деформации), называют температурой спекания. Разность между температурой спекания и началом деформации на­ зывают температурным интервалом спекания Т:

Т = Т 2- Ти

где Т1 — температура, при которой образец имеет водопоглощение 5%; Т2— температура, при которой образец начинает деформиро­ ваться.

Интервал спекания глин имеет большое значение для правиль­ ного построения режима конечной стадии обжига керамических из­ делий.

Температурный интервал определяют путем установления объ­ емной массы и водопоглощения плиток, изготовленных из испыты­ ваемых глин и обжигаемых при различных температурах в интер­ вале от 900—1000 до 1100—1250° С с градацией 50° С.

Для изготовления образцов берут 5 кг глины из средней пробы, высушивают ее до воздушно-сухого состояния, измельчают, просеи­ вают через сито с размерами ячеек 1 мм и замачивают водой до по­ лучения массы влажностью 17—19%. Пробу проминают и оставля­ ют на вылеживание в течение суток. Затем с помощью специальной

28

формочки нарезают плиточки размером 60X30X10 мм из раскатан­ ной в лист массы. Плиточки высушивают до остаточной влажности 3—5% и обжигают в печи стопками по 9—12 шт. При каждой конт­ рольной температуре плитки выдерживают по 30 мин и затем отби­

рают по 3 образца.

У отобранных образцов определяют водопоглощение и объем­ ную массу. Та температура обжига образцов, при которой водопо­ глощение доходит до 5%, принимается за начало спекшегося состоя­ ния черепка.

Начало деформации определяют по увеличению объема образ­ цов и уменьшению объемной массы или по появлению вспучивания.

В зависимости от того, до какой степени глины могут спекаться, они делятся на следующие виды:

с и л ь н о сп е к а ю щ и е с я, способные при обжиге давать че­ репок с водопоглощением до 2%, причем такое состояние черепка должно сохраняться в температурном интервале не менее 50° С;

с р е д н е с п е к а ю щ и е с я , способные образовывать черепок с водопоглощением не более 5%;

н е с п е к а ю щ и е с я , неспособные давать спекающийся чере­ пок с водопоглощением менее 5% в интервале температур 50° С.

В соответствии с температурой, при которой данная глина спе­

температуре выше 1300° С.

Интервал спекания глины, применяемой в кирпичном производ­ стве, обычно равен 50—100° С и иногда выше. Тугоплавкие и огне­ упорные глины отличаются более широким интервалом спекания.

Керамические стеновые материалы обжигают при температуре ниже полного спекания (900—980°С), так как пористость их долж­ на быть достаточно высокой.

Для кирпича полусухого прессования вследствие недостаточно­ го контакта между отдельными зернами глины начало спекания на­ ступает при более высокой температуре, чем в изделиях пластиче­ ского прессования. В связи с этимконечная температура обжига такого кирпича должна быть на 50—100° С выше.

Период нагрева от 100—150 до 800—850° С — наименее опасный для обжига в отношении трещинообразования, и подъем температу­ ры в этом интервале можно осуществлять с максимальной ско­ ростью, допускаемой конструктивными особенностями печи. Допус­ каемая скорость нагрева кирпича нормального размера в период его упругих деформаций начала размягчения черепка весьма высо­ кая и составляет примерно 300° С со значительными колебаниями

вту и другую сторону для разного сырья и состава масс.

Ог н е у п о р н о с т ь — свойство глин противостоять, не расплав­ ляясь, воздействию высоких температур.

29